专利名称：薄膜超声转换器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声转换器领域，更具体而言，涉及薄膜超声转换器，其中包括由钻石或类似钻石的碳层组成的薄膜。
超声波的产生是采用纯粹的机械装置或采用利用磁致伸缩效应和压电效应的电声转换器装置进行的。由于现今在技术上可以很容易地产生超声波，所以超声波被广泛应用。因此在医疗诊断或在材料无损探伤方面应用超声波产生图象。
应用最广泛的电声转换器是基于压电效应。在实践中，除了单转换器系统以外，大多数使用一维或二维阵列系统。二维阵列系统对显示三维图象是特别有意义的。
在声学转换器中压电元件的激励可以在频率几kHz-几MHz的交流磁场中进行，特别是在产生图象的情况下，也可以采用基本频率几MHz和相对带宽高达100％的短振荡脉冲串(short oscillation bursts)进行。压电元件在磁场方向上的偏移，会在例如水或生物组织等耦合介质中产生连续的或脉动的超声波。在医疗诊断方面产生图象是利用反射的变化，反射的变化与组织密度和通过时间(throughput times)随路径长度的变化有关。
在超声转换器阵列中，每个超声转换器都可以包括薄膜，在薄膜上设置压电层，和在压电层顶上设置第一和第二电极。压电元件长度的变化激励膜发生振荡。
可以将薄膜超声转换器阵列制成所说的压电微型机械超声转换器(PMUT)。压电超声转换器阵列直接设置在硅上。除了硅基片以外，所述的超声转换器还可以包括薄膜，在薄膜上设置压电层，在压电层顶上设置第一和第二电极。薄膜可以通过简单地蚀刻掉硅产生开口获得。压电元件长度的变化激励膜发生振荡。为了制造所述的超声转换器阵列，对制造在一个硅基片上的几个薄膜制作几个开口。
钻石是声波器件优选的材料，因为它具有优于常规声波材料的性能。钻石具有低热膨胀系数、高机械硬度、大导热系数、和高杨氏模量等性能的组合，非常适合声学应用。
由于上面提到的性能，所以采用钻石作为超声转换器的薄膜材料。
可以采用喷涂、旋涂、浸渍、化学气相沉积、溅射、和激光烧蚀方法沉积压电材料制造压电层。对于所有这些方法，沉积温度都为500-800℃，视压电材料的组成而定。此外，为了改善压电材料的结晶，所有的方法都在氧存在下进行。
这些严格的工艺条件可能造成由钻石组成的薄膜部分分解，从而显著降低压电层在薄膜表面上的粘合力。
由于钻石表面亲水性不同取决于薄膜生产条件这个事实，又出现了另一个问题。这使得很难制造对由钻石组成的薄膜具有令人满意的强粘合力的压电层。
此外，压电层的结构和形态还受由钻石组成的薄膜的影响。必须指出，当在钻石基片上沉积压电材料时，常常代替单相压电层获得包含第二相的烧绿石。
因此，本发明的目的是提供改进的超声转换器，其中包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜和压电层，压电层对超声转换器的其它层/元件具有令人满意的强粘合力。
这个目的是利用超声转换器阵列实现的，每个超声转换器都包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜、阻挡层结构、压电层、和配置在压电层相同表面上的第一和第二电极。在优选的实施方案中，阻挡层结构包括至少一层氧化物，该氧化物选自TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO4、LaAlO3、和这些化合物的任何组合。
阻挡层结构能防止由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜在压电层沉积过程中分解。此外，阻挡层结构能确保在将压电材料沉积在阻挡层结构上代替直接沉积在薄膜上时获得单相压电层。另一个优点是压电层和所述阻挡层结构之间的粘合力大于压电层和由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜之间的粘合力。
按照所述的实施方案，其中压电层牢固地粘合在下面的阻挡层上，获得超声转换器阵列，其中的压电层是单相，在制造压电层时，其中的薄膜不受严格工艺条件的影响。
根据优选的实施方案，超声转换器阵列可以由微型机械超声转换器组成。
本发明也涉及超声转换器，其中包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜、阻挡层结构、压电层、和配置在压电层相同表面上的第一和第二电极，其中阻挡层结构包括至少一层氧化物，该氧化物选自TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO4、LaAlO3、和这些化合物的任何组合。
下面参照3个附图和4个实施方案更详细地解释本发明，在附图中
图1在断面图中示出超声转换器阵列的结构，图2在断面图中示出另一个超声转换器阵列的结构，和图3在断面图中示出微型机械超声转换器的结构。
在图1中，超声转换器阵列的实施方案包括薄膜2，薄膜2由钻石或类似钻石的碳组成。由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜2可以采用化学气相沉积(CVD)制造。可以优选薄膜2的厚度为1-2μm。阻挡层结构4设置在薄膜2上。在这个实施方案中，阻挡层结构4包括一层TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO4、LaAlO3、或这些化合物的任何组合。阻挡层结构4的厚度优选30-300nm。阻挡层结构4确保压电层5对阻挡层结构4从而对该器件的强粘合力。也确保压电层5只包括单相。此外，在制造压电层5的过程中，阻挡层结构4保护薄膜2不氧化/分解。
压电层5设置在阻挡层结构4上。压电层5的层厚度优选1-50μm。为了达到较高的带宽，在压电层5中使用具有高的压电耦合系数(piezoelectric coupling coefficient)k的材料。压电层5可以使用的材料是例如铁电体材料、电致伸缩材料、以及专门的压电材料。因此，例如压电材料选自钛酸铅(PT)，其中可以掺杂La、Mn、Fe、Sb、Sr、或Ni或这些元素的任何组合；钛锆酸铅(PZT)，其中可以掺杂La、Mn、Fe、Sb、Sr、或Ni或这些元素的任何组合；聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)；Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3；Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3；Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3，其中(0≤x≤1)和(0≤y≤1)；Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3；Pb(Y1/2Nb1/2)O3-PbTiO3；Pb(Zn1/3Nb1/3)O3-PbTiO3，其中可以掺杂La、Mn、Fe、Sb、Sr、或Ni或这些元素的任何组合；Pb(Mg1/2Nb2/3)O3-PbTiO3，其中可以掺杂La、Mn、Fe、Sb、Sr、或Ni或这些元素的任何组合；Sr3TaGa3Si2O14；K(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；Na(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；BaTiO3；(K1-xNax)NbO3，其中(0≤x≤1)；(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3；(Bi，Na)TiO3；Bi7Ti4NbO21；(K1-xNax)NbO3-(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3，其中(0≤x≤1)；a(BixNa1-x)TiO3-b(KNbO3-c)1/2(Bi2O3-Sc2O3),其中(0≤x≤1)和(a+b+c＝1)；(BaaSbbCac)TixZr1-xO3，其中(0≤x≤1)和(a+b+c＝1)；(BaaSrbLac)Bi4Ti4O15，其中(a+b+c＝1)；Bi4Ti3O12；LiNbO3；La3Ga5.5Nb0.5O14；La3Ga5SiO14；La3Ga5.5Ta0.5O14；AIN；和ZnO。压电层5是单晶层或结构层(textured layer)可能是有利的。
为了在侧面进行压电层5的连接操作(poled operation)，将多个间隔开的第一和第二电极6，7固定在压电层5上，电极6，7包括导电材料，导电材料可以包括Ti或Ti1-xWx，和铝、掺杂硅的铝、或掺杂铜、金、铂的铝的合金界面层和导电层，其中(0≤x≤1)，不过也可以使用其它导电的材料。
通过第一和第二供电触点8，9给电极6，7施加交流电压，使被激励的压电层5在该层平面内进行纵向震荡。可以将第一和第二供电触点8，9埋在声反馈元件(backing member)内。声反馈元件可以由任何具有较高的声衰减和适当选择的低声阻抗的任何适宜材料组成，反馈元件也能对薄膜2、第一电极6和第二电极7提供比较坚固的结构支持。
图2示出本发明的另一个实施方案，在这个实施方案中，阻挡层结构4是具有二层的多层结构。邻接薄膜2的多层结构的第一层4a，可以包括SiN(H)、Si3N4、SiO2、SixOyNz(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)、AIN、或Al2O3、或这些化合物的任何组合。第二层4b可以包括TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO3、LaAlO3、或这些化合物的任何组合。在所述的实施方案中，在制造压电层5的过程中在含氧气氛中沉积压电材料时，第一层4a起氧扩散阻挡层的作用。因此，第一层4a能防止由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜2的氧化/分解。多层结构的第二层4b将第一层4a与压电层5在化学上隔开，否则它们彼此之间会起反应。
另外，阻挡层结构4可以包括位于第一层4a和第二层4b之间的多个层。
在图3中，微型机械超声转换器的实施方案包括基片1，基片1可以包括例如硅，具有(100)取向或(111)取向的硅，具有(100)取向的MgO，LaAlO3，蓝宝石，GaAs，陶瓷材料例如ZrO2或Al2O3等，陶瓷材料例如每种都具有平面化的层、玻璃陶瓷材料、或玻璃材料的ZrO2或Al2O3等。最优选的基片1包括硅。将包括钻石或类似钻石的碳的薄膜2设置在基片1上。可以优选薄膜2的厚度为1-2μm。通过蚀刻或冲压在基片1上至少产生1个开口3。开口3与薄膜2的一侧邻接。位于开口3上的薄膜2能够发生振荡是由于这个开口3。
在薄膜3上设置阻挡层结构4。在这个实施方案中，阻挡层结构4包括一层TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO3、LaAlO3、或这些化合物的任何组合。阻挡层结构4的厚度优选30-300nm。阻挡层结构4确保压电层5对阻挡层结构4从而对该器件具有强的粘合力。也能确保压电层5只包括单相。此外，在制造压电层5的过程中，阻挡层结构4保护薄膜2不氧化/分解。
在阻挡层结构4上设置压电层5。压电层5的层厚度优选1-50μm。为了达到较高的带宽，在压电层5中采用具有高的压电耦合系数k的材料。压电层5可以使用的材料是例如铁电体材料、电致伸缩材料、以及专用的压电材料。
为了在侧面进行压电层5的连接操作，将第一和第二电极6，7配置在压电层5侧面相反的二端，电极6，7包括导电材料，导电材料可以包括Ti或Ti1-xWx，和铝、掺杂硅的铝、或掺杂铜、金、铂的铝的合金界面层和导电层，其中(0≤x≤1)，不过也可以使用其它导电的材料。
要求将电极6，7制成同心环的形式。
通过第一和第二供电触点8，9给电极6，7施加交流电压，使被激励的压电层5在该层平面内进行纵向振荡。
可以在侧面将外加电极分布在压电层5的各端之间，降低转换器的电阻抗。例如在使用极性交替的交变电极的情况下，可以在跨越压电层5侧面表面的不连续位置上制备4个电极，为了减少电阻抗，并联连接相同极性的电极。
可以在基片1上设置多个所述的超声转换器。将各个超声转换器进行适当的电连接，可以制造一维或二维的超声转换器阵列。在这种情况下，以这样的方式配置压电层5、第一和第二电极6、7，使各个超声转换器在空间上是互相隔离的。
基片1可以在其背面上包括绝缘层，绝缘层的材料是SiO2、或Si3N4、或这些材料的组合。
对本领域的技术人员而言，在超声转换器阵列结构或一种超声转换器结构方面和在各层和/或开口3形状方面的另一些方案是众所周知的。此外该阵列也可以包括隔离装置，它们使超声转换器在电学和声学上不与邻接的其它超声转换器连接。
下面更详细地解释本发明的实施方案和在实践中如何实现本发明代表性的实施例。
实施方案1在由钻石组成的厚度1μm的薄膜2上设置层厚度为30nm的TiO2阻挡层结构4。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。压电层5的层厚度为1.0μm。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。将各个超声转换器在电学上连接，以获得一维的超声转换器阵列。
实施方案2在由钻石组成的厚度1μm的薄膜2上设置阻挡层结构4。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。压电层5的层厚度为1.0μm。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。阻挡层结构4是多层结构，其中包括由SiN(H)组成的第一层4a和由TiO2组成的第二层4b。第一层4a的层厚度为约50nm，第二层4b的层厚度为约30nm。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4的第二层4b上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。将各个超声转换器在电学上连接，以获得一维的超声转换器阵列。
实施方案3在由钻石组成的厚度1μm的薄膜2上设置阻挡层结构4。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。压电层5的层厚度为1.0μm。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。阻挡层结构4是多层结构，其中包括由SiN(H)组成的第一层4a、由TiO2组成的第二层4b、和由夹在第一层4a和第二层4b之间的SiO2组成的中间层。第一层4a的层厚度为约50nm，第二层4b的层厚度为约30nm、中间层的层厚度为约50nm。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4的第二层4b上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。将各个超声转换器在电学上连接，以获得一维的超声转换器阵列。
实施方案4超声转换器阵列包括硅基片1，其中在一侧上具有绝缘层Si3N4。在相反侧上设置由钻石组成的厚度为1μm的薄膜2。基片1具有多个开口3，每个开口与薄膜2的一侧邻接。在薄膜2上有阻挡层结构4。阻挡层结构4是多层结构，其中包括由SiO2组成的第一层4a和由TiO2组成的第二层4b。第一层4a的层厚度为约50nm，第二层4b的层厚度为约50nm。在含氧气氛中采用旋涂方法在阻挡层结构4的第二层4b上设置PbZr0.35Ti0.65O3层，制成压电层5。在压电层5上配置多个间隔开的第一电极6和第二电极7。电极6，7由Ti0.9W0.1/Al/Ti/Au组成。将每个超声转换器的第一和第二电极6，7分别与第一和第二供电触点连接。在基片1上将各个超声转换器在电学上连接，以获得一维的超声转换器阵列。
权利要求
1.一种超声转换器阵列，每个转换器包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜(2)、阻挡层结构(4)、压电层(5)、和配置在压电层(5)相同表面上的第一和第二电极(6，7)，其中所述的阻挡层结构(4)包括至少一层氧化物，该氧化物选自TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO3、LaAlO3、和这些化合物的任何组合。
2.权利要求1的超声转换器阵列，其特征在于阻挡层结构(4)是多层结构，其中包括邻接薄膜(2)的至少一个第一层(4a)和邻接压电层(5)的至少一个第二层(4b)，其中第二层(4b)包括选自TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO3、LaAlO3的一种氧化物、和这些化合物的任何组合。
3.权利要求2的超声转换器阵列，其特征在于邻接薄膜(2)的第一层(4a)包括选自SiN(H)、Si3N4、SiO2、SixOyNz(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)、AlN、Al2O3、和这些化合物任何组合的一种材料。
4.权利要求1的超声转换器阵列，其特征在于每个超声转换器都包括基片(1)，所述的基片(1)包括至少一个开口(3)，开口(3)与薄膜(2)的一侧邻接。
5. 一种超声转换器，其中包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜(2)、阻挡层结构(4)、压电层5、和配置在压电层(5)相同表面上的第一和第二电极(6，7)，其中所述的阻挡层结构(4)包括至少一层氧化物，该氧化物选自TiO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO3、LaAlO3、和这些化合物的任何组合。
全文摘要
本发明涉及超声转换器阵列，每个超声转换器包括由钻石或类似钻石的碳组成的薄膜(2)、阻挡层结构(4)、压电层(5)、第一电极(6)、和第二电极(7)。阻挡层结构能确保压电层对阻挡层结构从而对该器件的强粘合力，和确保压电层只包括单相。此外，在制造压电层的过程中阻挡层结构能保护薄膜不氧化/分解。本发明还涉及超声转换器。
文档编号B06B1/06GK1649677SQ03809689
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年5月1日
发明者M·克利, H.－W·布兰德, E·克拉夫茨克, H.－P·勒布尔, P·巴赫曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司